文摘
海水电池的放电特性可以用来延长工作时间自主水下观察车辆。然而,海水电池的输出电压水平很低,所以它不能直接用于电源水下观察车辆。本文提出了一种提高转换器基于海水电池供电自治水下观察车辆。该变换器大大增加海水电池的电压水平和直接供应水下观察车辆。相比与传统的提高变换器,该变换器的电压增益超过十倍负载比相同条件下。结构不对称交叉并行,这可以使电力设备获得较低的压力和确保输入电压纹波电流很低。的工作原理和稳态特性提出的变换器进行了详细分析。最后,构建一个原型。通过仿真和实验,验证了理论设计的正确性和实验结果进行了分析。
1。介绍
改善人民的理解的海洋,海洋环境的勘探和开发覆盖70%的表面已经收到了广泛的关注。自治水下观察车辆自主水下设备适用于各种环境,以工作时间长和各种各样的活动1- - - - - -6]。因此,该设备的能源供应需求相对较高。锂电池具有高的特点具体能源和循环寿命长(7),开始被应用到电力系统的水下车辆在21世纪初8- - - - - -11]。然而,随着工作时间的延长自主水下观察车辆,车辆本身的体积和重量的限制(12- - - - - -15),锂电池不能满足其需求。与海水溶解氧海水电池,电解液,碳化纤维或石墨用于阴极,和活跃的金属作为阳极,与海水中溶解氧氧化还原反应(16]。反应原理如下:
阳极:
阴极:
输出电压是1.2 - -1.4 V,电池有一个开放的结构,不需要设计出一个水压力外壳,这有利于发电在不同深度的海水。与锂电池相比,海水电池不需要携带电解质和阴极活性物质,和特定的能源(318 W h /公斤)高于锂电池(160 Wh /公斤)17- - - - - -20.),他们长时间放电的特点(3 - 5年),安全,可靠。因此,它特别适合供电设备一直在海底了很长一段时间。然而,由于溶解氧低浓度的海洋,海水溶解氧电池的输出功率很低(21,22],它只能适用于低功耗水下观测系统的车辆。基于两种类型的电池的特点,自主水下观察车辆的能源供应系统可以设计如图1锂电池供电,电力系统的车辆,和溶解氧海水电池供电的观测系统的车辆。因为锂电池的供电技术相对成熟,这里不会被提及。
输出电压的溶解氧水平海水电池低,额定功率为1.3 V (23),观测系统所需的电压水平高,所以一个高增益直流-直流转换器的输出端需要添加海水电池。传统的提高变换器电压增益较低;更高的电压增益将会使工作周期接近于1,而功率器件电压应力较高。因此,研究人员研究了如何提高变换器的电压增益。文献[24- - - - - -26]介绍了切换在boost变换器电感,从而增加电压增益,但效果是不够的。在文献[27,28),交叉并行和切换电容器采用实现高增益;由于缺乏耦合电感器,变频器的电压增益有限,和场效应晶体管和二极管的电压应力高。在文献[29日],提出了多重集切换电容器获得高增益转换器,但切换电容的增加无疑会增加电路的成本,和转换器的效率和可靠性不能满足。在文献[30.,31日),耦合线圈被用来实现高增益转换;由于缺乏交叉并行的情况下,电压增益的增加仍然是有限的。
摘要高增益直流-直流转换器与不对称交叉并行的框架,提出了结合耦合电感和开关电容结构。首先,转换器获得更高的电压增益,功率器件电压应力得到的更少。另一方面,转换器的输入电流纹波可以有效地抑制非对称交叉平行结构,从而使海水电池供电系统更稳定。最后,构建一个原型来验证提出的变换器的可行性。
2。操作原理和分析
相当于该变换器的拓扑结构如图2。两个MOSFET转换器由控制器控制实现180°交叉传导;二极管和和电容和构成了开关电容结构和输出二极管转换器的输出。转换器的输入是一个双耦合线圈结构,包括漏电感和 ,磁化电感和 ,和两个理想变压器;二极管和电容器形成了钳位电路。两个耦合电感的匝数比可以表示为 和 。
为了方便分析,假设所有寄生元素的影响被忽略。在一个周期中,有8个工作模式的驱动信号和交叉180°。图3显示了该变换器的关键波形,和瞬态模式I, II, V和VI由于泄漏应该被忽略。忽略之后,一个循环的模式是三世,第六、七、八世。电路的拓扑阶段在图所示4。
(一)
(b)
(c)
(d)
在模式III (),在 ,场效应晶体管是关闭的,仍然是开放的,二极管吗和,和二极管吗和如图,了吗4(一)。当前的二极管表示为
在VI模式(),在 ,场效电晶体和在导电状态,和二极管吗 , , ,和如图,切断吗4 (b)。的磁化电感电流表示为
在模式七世),在时间 ,场效应晶体管是关闭的,,二极管和,和二极管吗和如图,了吗4 (c)。输入电流表示为
在模式八世),在 ,开关保存,仍在,二极管是,二极管 , ,和如图,切断吗4 (d)。漏电感的能量是完全转移到电容器吗 ,和当前表示为
3所示。性能分析
3.1。稳态和性能分析
根据磁链守恒,磁化电感之间的关系和表示为
的公式,的责任比吗和 。
可用公式(7),
根据模式七世,输出电压表示为
表示为电压增益
在实际的耦合电感的设计,因为耦合系数接近于1,它几乎没有对电压增益的影响。为了便于分析,漏电感不被认为是在下列情况下,也就是说, 。理想的电压增益表示为
根据公式(11),理想的电压增益的转换器匝比有关和责任比例 。如图5,当不变,越高 ,变换器的电压增益就越高。
电压的压力推到和表示为
二极管的电压应力表示为
二极管的电压应力表示为
二极管的电压应力和表示为
率曲线在图6获得使用比例 。不难看到,所有电力设备的电压应力低于输出电压。场效电晶体和和二极管和减少匝比的增加 ,和二极管和增加。
3.2。比较
高增益转换器,提出本文需要更少的电力设备,电压应力低。进一步反映其优势,提出了转炉是相比之下,近年来许多典型的拓扑结构。的性能参数如表所示1。
为了比较转换器的性能,设置耦合线圈的匝数比 。之间的电压增益比较曲线提出的变换器和其他四个转换器如图7,该变换器具有最高电压增益与其他典型的提高转换器。
MOSFET的电压应力对比曲线如图8。率曲线获得使用比例 。与其他典型的转换器,该转换器具有最低的电压应力,所以MOSFET器件电压应力较低可以选择在工作。设备与低压压力会更小的损失。
4所示。设计注意事项
4.1。耦合电感器设计
耦合线圈的匝数比是由电压增益和责任比例,表示如下:
磁化电感的值取决于电感的纹波电流的可接受性。与此同时,由于海水电池的特点的限制,输入电流纹波大将导致海水电池的输出电压不稳定。因此,耦合电感的纹波电流转换器设置 。磁化电感的值表示为
磁化电感对抑制纹波电流有很大的影响,和输入电流纹波系数在不同磁化电感,如图9:
耦合电感的纹波电流将直接影响系统的稳定性。因此,根据图9,磁化电感值7所示μ可以选择H抑制当前脉动,提高系统的稳定性。
4.2。电容器的设计
电容的设计基于电压纹波和输出功率,电压纹波系数 。的价值来表示如下:
根据上面的计算,根据实际的电容值来可以是相同的;为了使供应系统稳定运行,考虑到实际电路寄生元素,需要添加一定的保证金在理论计算的基础上。
每个电容的理论值和实验值可以表示在表2:
5。仿真和实验验证
设计高增益转换器有10 W的额定功率和额定输出电压24 V。海水电池额定输出电压为1.3 V。为了验证上述理论分析的正确性,系统可以构建如图10:
5.1。仿真参数对纹波电流的影响
为了进一步研究变换器的工作特点,得到了最优的责任比,比的模拟。输入纹波电流与负载比和匝数比。当其他设备参数保持不变,变频器的负载比和耦合线圈的匝数比改变,和仿真结果如图11。(一)当前的涟漪,当n= 3,D= 50%,输入电流(b)当前的涟漪,当n= 2,D= 60%,输入电流(c)当前的涟漪,当n= 4,D= 40%,输入电流
(一)
(b)
(c)
根据公式(17),当占空比的增加,输出电压保持不变,纹波电流与责任比例将会改变。因此,通过仿真,匝比的最优组合和责任比例在表3可以获得。当占空比为50%,电流纹波是最低的。
仿真分析和理论分析之后,以最小化系统的输入电流纹波,耦合线圈的匝数比可以设置在1:3。责任比 %。
5.2。仿真验证
根据上面的理论计算和仿真结论,仿真参数表4设置,模型可以建立。仿真结果如下。
输出电压的仿真波形 电压如图12。输出电压24 V,如图12(一个)和开关的电压应力 是3.8 V,如图12 (b)。数据13和14显示二极管电压的仿真波形,二极管电压压力是5.7 V,如图(13日)。二极管的电压应力和是17.8 V,二极管吗压力是3.4 V电压。电流仿真波形如图15和输入电流纹波值是0.15。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
为了充分验证的性能海水电池供电系统的条件下提出的变换器,输出电压范围(1.2 - -1.4 V)的海水电池模拟。仿真结果如表所示5:
仿真后,它可以获得的条件下,输出电压范围(1.2 - -1.4 V)的海水电池,该转换器的输入电流纹波是维持在0.15 - -0.29,一般低纹波电流,开关器件的电压应力保持在3.54 - -3.76 V,电压应力低,波动很小。
5.3。实验和结果分析
为了进一步验证理论分析的正确性和仿真参数,一个原型是建立在实验室里,得到了和实验波形和分析。
如图(16日),负载电压转换器的24 V,达到高增益效应的理论分析。场效应管的电压应力和大约是4 V。由于场效应晶体管的寄生电容的影响,寄生电容放电产生尖峰电压如图16 (b)。由于二极管的电压安全裕度保留在选择过程中,对系统影响不大。每个二极管的电压应力如图17,二极管的电压应力大约是6 V,大约是4 V,大约18 V相比实际电压的二极管低与理论分析相比,但电压波形符合理论分析和具有良好的性能。图18是输入纹波电流的波形转换器。由于存在寄生电感和寄生电阻在实际电路,纹波电流是有些不安。从波形可以看出,纹波电流是0.2,所以结构有效地降低了输入电流纹波。
(一)
(b)
(一)
(b)
其他海水电池的输出电压测试。在输出电压范围内的海水电池,1.2 - -1.4 V的性能海水电池供电系统如表所示6。
通过实验结果,可以获得条件下海水电池的输出电压,电流转换器的波及范围是0.2 - -0.38,与实际模拟的纹波电流纹波电流接近。实际电路中的寄生元素的影响被认为是,和电流波动的范围是可以接受的。开关是3.67 - 4 V的电压应力,与仿真结果相比,结果是可以接受的。海水电池供电系统的效率已经达到78.2 - -84.2%。
5.4。损失分析
转换器的主要损失来自于电力设备,加热功率器件的耦合线圈,二极管和场效应晶体管。
5.4.1之前。MOSFET的损失
MOSFET的开态损失主要来自于在抵抗的开关。使用状态损失表示如下:
在公式(19),通过的电流的有效值是DS的MOSFET。
场效应管的停工损失不仅与频率有关但也与寄生输出电容有关 ;停工损失表示如下:
的下降时间的开关。
场效应管的开关状态和是相同的,和总开关可以表示为损失
5.4.2。二极管的损失
二极管的损耗电流的乘积正向电压降二极管。二极管可以表示为
5.4.3。变压器损耗
变压器损耗是主要的磁组件的一部分损失。它主要包括核心损耗和绕组损耗,其中核心损失包括磁滞损耗和涡流损耗。
磁滞损耗正比于B和表达如下:
比例系数相关材料。
动态交变磁场的涡流损耗
在公式(24),材料密度,测量单位克/厘米3,电阻率。
变压器的核心损失可以表示为
绕组损耗主要来自于一次绕组和二次绕组的铜损,表示为和 ,包括交流绕组和 。的 是电流流过,一次侧和二次侧绕组的损失表示为
变压器的绕组损耗的总和中小学侧变压器的铜损,这是表示如下:
因此可以表示为变压器总损失
5.4.4。转换器损失分布
事实上,还有一些其他的损失转换器,线损失和延误等损失,但这些损失往往非常小,可以忽略不计。计算后,每个功率器件的损耗表所示7。
的总功率损耗提出了转换器可以表示为
每个功率器件的损耗计算,根据该理论,和百分比反映在图中19。变压器损耗的比例是最大的。根据损失的分析,绕组损耗( )被认为是主变压器的损耗,这是由于较低的额定功率转换器和高承载电流的变压器。
额定状态下的转换器,该转换器的理想转换效率可以从(计算29日),结果为83.1%,不同的是1.9%,实际的转换效率。由于存在线的寄生电阻和寄生电容的存在和寄生二极管的开关,它对变换器的效率有一定的影响,但影响很小,与实际值是接近理论值。
6。结论
摘要直流/直流转换器在能源供应系统的自治水下观察车辆为研究对象,探索海水电池的输出电压等级的提高,通过直流/直流转换器,在水下观察车辆供电。提出的变换器拓扑结构的研究,通过仿真和实验验证。主要结论如下:(1)的输出电压范围1.2 - -1.4 V下溶解氧海水电池,直流/直流转换器可以改善电压水平。的前提下保持输出电压24 V,效率达78 - 84%(2)根据不对称交叉平行结构,结合耦合线圈和钳位电路,不仅输入电流纹波抑制,但也控制场效应管的电压应力大约4 V(3)研究改善电压水平,耦合电感和开关电容的组合拓扑结构可以使转换器获得更高的电压增益在低工作周期
7所示。未来的工作
基于当前的理论计算和实验结果,实验平台混合供电的海水电池和锂电池将被建立。由于大型变压器的损失提出了转换器,它将进一步优化改善海水电池供电系统的效率。进一步验证了该系统的正确性。
数据可用性
数据基础的研究结果中可用的手稿。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。